(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型燃料電池であって、
固体高分子からなる電解質膜と、
前記電解質膜の両面に積層形成される触媒電極層と、
電気化学反応に供される反応ガスを前記触媒電極層に供給するための反応ガス供給流路を形成するためのガスセパレータと、
前記電解質膜および前記触媒電極層の外周に配設され、少なくとも前記電解質膜を保持する保持部と、
前記保持部と接続され、前記電解質膜面に沿った方向に伸縮可能な伸縮部と、
前記伸縮部と接続され、前記ガスセパレータに固定される固定部と、
を備え、
前記伸縮部は、蛇腹状であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
固体高分子型燃料電池であって、
固体高分子からなる電解質膜と、
前記電解質膜の両面に積層形成される触媒電極層と、
前記電解質膜の外周に接続され、少なくとも前記電解質膜を保持する保持部と、
前記保持部を固定する固定部と、
を備え、
前記電解質膜が、該電解質膜の外周において前記触媒電極層が積層されない無積層部分を有するとともに、該無積層部分の少なくとも一部に設けられ、前記電解質膜面に沿った方向に伸縮可能な伸縮部を有し、
前記伸縮部は、蛇腹状であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の固体高分子型燃料電池において、
前記伸縮部は、
前記保持部、または、前記固定部よりも前記電解質膜面に沿った方向における弾性係数が高いことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池において、
前記固定部または前記保持部は、
前記電解質膜の両面間のガスシール性を確保するためのガスケットの少なくとも一部であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池において、
前記触媒電極層の外側に積層され、導電性多孔質部材によって形成されるガス拡散層を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
固体高分子からなる電解質膜と、前記電解質膜の両面に積層形成される触媒電極層と、ガスセパレータとを備える固体高分子型燃料電池に用いられ、前記電解質膜の両面間のガスシール性を確保するためのガスケットであって、
前記電解質膜および前記触媒電極層の外周に配設され、少なくとも前記電解質膜を保持する保持部と、
前記保持部と接続され、前記電解質膜面に沿った方向に伸縮可能な伸縮部と、
前記伸縮部と接続され、前記ガスセパレータに固定される固定部と、
を備え、
前記伸縮部は、蛇腹状であることを特徴とするガスケット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子電解質膜を備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子から成る電解質膜を備える燃料電池であり、従来、種々の形状の電池が提案されている。この固体高分子型燃料電池において、発電時では、電解質膜上に設けられた触媒電極層に対して水素あるいは酸素を含有する反応ガスを給排し、電気化学反応により酸素極（以下、カソードとも呼ぶ。）側で水が生成され、電解質膜は、湿潤状態が維持される。一方、この固体高分子型燃料電池において、非発電時では、カソードで電気化学反応による水が生成されず、電解質膜は乾燥する。なお、上述のような固体高分子型燃料電池としては、下記特許文献１記載の技術が開示されている。なお、以下では、上記固体高分子型燃料電池の燃料極をアノードとも呼ぶ。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−６８３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような固体高分子型燃料電池において、発電、非発電を繰り返すと、電解質膜は、湿潤状態と乾燥状態を繰り返すことになり、その結果、膨張と収縮を繰り返すことになる。このように、電解質膜において、膨張と収縮が繰り返されると、電解質膜に応力（歪力）が生じ、電解質膜が劣化してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、固体高分子型燃料電池において、膨張または収縮による電解質膜の劣化を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の固体高分子型燃料電池は、
固体高分子型燃料電池であって、
固体高分子からなる電解質膜と、
前記電解質膜の両面に積層形成される触媒電極層と、
電気化学反応に供される反応ガスを前記触媒電極層に供給するための反応ガス供給流路を形成するためのガスセパレータと、
前記電解質膜および前記触媒電極層の外周に配設され、少なくとも前記電解質膜を保持する保持部と、
前記保持部と接続され、前記電解質膜面に沿った方向に伸縮可能な伸縮部と、
前記伸縮部と接続され、前記ガスセパレータに固定される固定部と、
を備え、
前記伸縮部は、蛇腹状であることを要旨とする。
【０００７】
上記構成の固体高分子型燃料電池によれば、発電および非発電を繰り返すことなどにより、電解質膜が膜面方向に膨張および収縮しても、伸縮部がそれに伴って伸縮し、電解質膜に掛かる応力を緩和することができる。その結果、膜面方向における電解質膜の膨張および収縮に起因する電解質膜の劣化を抑制することができる。
【０００８】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第２の固体高分子型燃料電池は、
固体高分子型燃料電池であって、
固体高分子からなる電解質膜と、
前記電解質膜の両面に積層形成される触媒電極層と、
前記電解質膜の外周に接続され、少なくとも前記電解質膜を保持する保持部と、
前記保持部を固定する固定部と、
を備え、
前記電解質膜が、該電解質膜の外周において前記触媒電極層が積層されない無積層部分を有するとともに、該無積層部分の少なくとも一部に設けられ、前記電解質膜面に沿った方向に伸縮可能な伸縮部を有し、
前記伸縮部は、蛇腹状であることを要旨とする。
【０００９】
上記構成の固体高分子型燃料電池によれば、発電および非発電を繰り返すことなどにより、電解質膜が膜面方向に膨張および収縮しても、電解質膜の無積層部分に形成される伸縮部がそれに伴って伸縮し、電解質膜に掛かる応力を緩和することができる。その結果、膜面方向における電解質膜の膨張および収縮に起因する電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００１０】
上記構成の固体高分子型燃料電池において、
前記伸縮部は、
前記保持部、または、前記固定部よりも前記電解質膜面に沿った方向における弾性係数が高くなるように構成されている。
【００１１】
このようにすれば、電解質膜が膜面方向に膨張および収縮しても、伸縮部がそれに伴って伸縮し、電解質膜に掛かる応力を緩和することができる。
【００１２】
上記構成の固体高分子型燃料電池において、
前記固定部または前記保持部は、
前記電解質膜の両面間のガスシール性を確保するためのガスケットの少なくとも一部としてもよい。
このようにすれば、部品点数を軽減させることができる。
【００１３】
上記構成の固体高分子型燃料電池において、
前記触媒電極層の外側に積層され、導電性多孔質部材によって形成されるガス拡散層を備えるようにしてもよい。
このようにすれば、電気化学反応に供される反応ガスを効率よく触媒電極層に供給することが可能となる。
【００１４】
上記構成の固体高分子型燃料電池において、
前記伸縮部は、
蛇腹状であってもよい。
【００１５】
このようにすれば、電解質膜が膜面方向に膨張および収縮しても、蛇腹部分がそれに伴って伸縮し、電解質膜に掛かる応力を緩和することができる。
【００１６】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明のガスケットは、
固体高分子からなる電解質膜と、前記電解質膜の両面に積層形成される触媒電極層と、ガスセパレータとを備える固体高分子型燃料電池に用いられ、前記電解質膜の両面間のガスシール性を確保するためのガスケットであって、
前記電解質膜および前記触媒電極層の外周に配設され、少なくとも前記電解質膜を保持する保持部と、
前記保持部と接続され、前記電解質膜面に沿った方向に伸縮可能な伸縮部と、
前記伸縮部と接続され、前記ガスセパレータに固定される固定部と、
を備えることを要旨とする。
【００１７】
上記構成のガスケットによれば、発電および非発電を繰り返すことなどにより、燃料電池の電解質膜が膜面方向に膨張および収縮しても、伸縮部がそれに伴って伸縮し、電解質膜に掛かる応力を緩和することができる。その結果、膜面方向における電解質膜の膨張および収縮に起因する電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００１８】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下では、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の手順で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
Ａ２．ガスケット部１６の説明：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００２０】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池の概略構成を表わす断面図である。ｘ方向、ｙ方向、および、ｚ方向を、図１に示すように定める。本実施例の燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池であり、単セルをｘ方向に複数積層したスタック構造を有している。すなわち、本実施例の燃料電池１００は、図１に示すように、複数の単セル１０を備えると共に、各々の単セル１０間にセパレータ３０を介在させつつ単セル１０を積層させた構造を有している。また、本実施例の固体高分子型燃料電池のセパレータ３０は、後述するように、３枚のプレートから形成され、いわゆる、三層積層セパレータとなっている。なお、以下では、単セル１０がセパレータ３０で挟持されたものを、モジュールとも呼ぶ。
【００２１】
単セル１０は、電解質膜を含む膜−電極接合体（以下では、ＭＥＡと呼ぶ。ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡの外側に配設された第２ガス拡散層１４，１５を備える。ここで、ＭＥＡは、電解質膜２０と、電解質膜２０を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるカソード２２およびアノード２４と、上記触媒電極のさらに外側に配設された第１ガス拡散層２６，２８とを備えている。
【００２２】
電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード２２およびアノード２４は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。カソード２２およびアノード２４を形成するには、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒担持カーボンと、電解質膜２０を構成する電解質と同様の電解質とを用いてペーストを作製し、作製した触媒ペーストを電解質膜２０上に塗布すればよい。第１ガス拡散層２６，２８は、カーボン製の多孔質部材であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。触媒電極を表面に形成した電解質膜２０と第１ガス拡散層２６，２８とは、プレス接合により一体化されてＭＥＡとなる。上述したように、電解質膜２０は、湿潤状態で、良好な電気伝導性を示すので、本実施例の燃料電池１００において、電解質膜２０が、湿潤状態の時に、良好に発電が行われる。
【００２３】
第２ガス拡散層１４，１５は、発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体によって形成されており、本実施例では、チタン製の多孔質体を用いている。第２ガス拡散層１４，１５は、ＭＥＡとセパレータ３０との間に形成される空間全体を占めるように配設されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガスが通過する単セル内ガス流路として機能する。既述した第１ガス拡散層２６、２８においても、内部に形成される空間をガスが通過するが、本実施例では、第２ガス拡散層１４，１５は、単セル１０に供給されたガスが通過する主たる空間を形成する。カソード２２とセパレータ３０との間に配設される第２ガス拡散層１４では、その内部の細孔によって形成される空間が、酸素を含有する酸化ガス（カソードガス）が通過する単セル内酸化ガス流路として機能する。また、アノード２４とセパレータ３０との間に配設される第２ガス拡散層１５では、その内部の細孔によって形成される空間が、水素リッチな燃料ガス（アノードガス）が通過する単セル内燃料ガス流路として機能する。
【００２４】
ここで、ＭＥＡにおいて、図１に示すように、反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）が供給され、実際に発電が行われる領域を発電領域と呼ぶ。
【００２５】
セパレータ３０は、図１に示すように、第２ガス拡散層１４と接するカソード側プレート３１と、第２ガス拡散層１５と接するアノード側プレート３２と、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２に挟持される中間プレート３３と、を備えている。これら３枚のプレートは、導電性材料、例えばステンレス鋼あるいはチタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材であり、カソード側プレート３１、中間プレート３３、アノード側プレート３２の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。
【００２６】
図２は、カソード側プレート３１の形状を示す平面図である。図３は、アノード側プレート３２の形状を示す説明図である。図４は、中間プレート３３の形状を示す説明図である。これらの図を用いて、各プレートについて説明する。これらの図には、ＭＥＡにおける発電領域に対応する領域、すなわち、第２ガス拡散層１４または第２ガス拡散層１５を介して集電を行う領域（以下、集電領域と呼ぶ。）が示されている。
【００２７】
カソード側プレート３１（図２）およびアノード側プレート３２（図３）は、同様の位置に、６つの穴部を備えている。これらの６つの穴部は、スタック構造を形成するために各々の薄板状部材が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。上記カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２では、図２および図３に示すように、略四角形状である外周の一辺の近傍に穴部４０が形成されており、この辺と対向する辺の近傍には、穴部４１が形成されている。さらに、上記カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２では、他の２辺のうちの一方の辺の近傍には穴部４２，４４が形成されており、他方の辺の近傍には穴部４３，４５が形成されている。中間プレート３３（図４）は、上記６つの穴部のうち穴部４４，４５以外の穴部を、同様の位置にそれぞれ有している。また、中間プレート３３において、後述する複数の冷媒孔５８が、穴部４４，４５に対応する位置に重なるように設けられている。
【００２８】
各プレート（図２〜図４）が備える穴部４０は、燃料電池に対して供給された酸化ガスを各単セルに分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｏ２ inと表わす）、穴部４１は、各単セルから排出されて集合した酸化ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｏ２ outと表わす）。また、各プレートが備える穴部４２は、燃料電池に対して供給された燃料ガスを各単セルに分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｈ２ inと表わす）、穴部４３は、各単セルから排出されて集合した燃料ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｈ２ outと表わす）。さらに、カソード側プレート３１およびアノード側プレートが備える３２穴部４４は、燃料電池に対して供給された冷却水などの冷媒を各セパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図中、水 inと表わす）、穴部４５は、各セパレータ３０から排出されて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図中、水 outと表わす）。
【００２９】
また、カソード側プレート３１は、図２に示すように、穴部４０の近傍に、穴部４０よりも小さく、穴部４０に平行に配列する複数の穴部である連通孔５０を備えており、穴部４１の近傍には、同様に、穴部４１に平行に配列する複数の連通孔５１を備えている。アノード側プレート３２は、図３に示すように、穴部４２の近傍に、穴部４２よりも小さく、穴部４２に平行に配列する複数の穴部である連通孔５２を備えており、穴部４３の近傍には、同様に、穴部４３に平行に配列する複数の連通孔５３を備えている。中間プレート３３においては、図４に示すように、集穴部４０の形状が他のプレートとは異なっている。具体的には、中間プレート３３の穴部４０は、電領域側の辺が、集電領域方向へと突出する複数の突出部を備える形状となっている。穴部４０が有する上記複数の突出部を、連通部５４と呼ぶ。この連通部５４は、中間プレート３３とカソード側プレート３１とが積層されたときに連通孔５０と重なり合って、酸化ガス供給マニホールドと連通孔５０とが連通するように、各連通孔５０に対応して設けられている。中間プレート３３では、他の穴部４１，４２，４３においても同様に、連通孔５１，５２，５３に対応して、複数の連通部５５，５６，５７がそれぞれ設けられている。
【００３０】
図１に示すように、燃料電池の内部において、各プレートの穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート３３の連通部５４が形成する空間と、カソード側プレート３１の連通孔５０とを介して、第２ガス拡散層１４内に形成される単セル内酸化ガス流路へと流入する。単セル内酸化ガス流路において酸化ガスは、第２ガス拡散層１４に平行な方向（面方向）に流れると共に、面方向に垂直な方向（積層方向）へとさらに拡散する。積層方向に拡散した酸化ガスは、第２ガス拡散層１４から第１ガス拡散層２６を介してカソード２２に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ単セル内酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、第２ガス拡散層１４から、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３３の連通部５５が形成する空間を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。同様に、燃料電池の内部において、穴部４２が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート３３の連通部５６が形成する空間と、アノード側プレート３２の連通孔５２とを介して、第２ガス拡散層１５内に形成される単セル内燃料ガス流路へと流入する。単セル内燃料ガス流路において燃料ガスは、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した燃料ガスは、第２ガス拡散層１５から第１ガス拡散層２８を介してアノード２４に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ単セル内燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、第２ガス拡散層１５から、アノード側プレート３２の連通孔５３および中間プレート３３の連通部５７が形成する空間を介して、穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。
【００３１】
また、中間プレート３３は、集電領域を含む領域に、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔５８を備えている。これらの冷媒孔５８の端部は、中間プレート３３を他の薄板状部材と重ね合わせたときに、穴部４４，４５と重なり合い、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をセパレータ３０内で形成する。すなわち、燃料電池の内部において、穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、上記冷媒孔５８によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路から排出される冷媒は、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。
【００３２】
Ａ２．ガスケット部１６の説明：
ところで、図１に示すように、隣り合うセパレータ３０間であって、ＭＥＡの外周部には、本発明の特徴部分であるガスケット部１６が設けられている。
【００３３】
図５は、図１に示す、ＭＥＡと一体形成されたガスケット部１６の概略構成を表わす平面図であり、ガスケット部１６をｘ方向に向かって見た図である。この図５では、ガスケット部１６内部に埋め込まれているＭＥＡの外周線を、点線で示している。図６は、ガスケット部１６とＭＥＡとの接続部の近傍、すなわち、図１において破線で囲んだＲ領域を拡大して示す説明図である。
【００３４】
ガスケット部１６は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの弾性を有する絶縁性樹脂材料によって形成されると共に、ＭＥＡと一体で形成されている（図６参照）。このようなガスケット部１６は、例えば、金型のキャビティ内にＭＥＡの外周部が収まるようにＭＥＡを配設し、上記樹脂材料を射出成形することによって形成できる。これにより、樹脂材料が多孔質部材である第１ガス拡散層内に含浸されて、ＭＥＡとガスケット部１６とが隙間なく接合され、ＭＥＡの両面間のガスシール性を確保することができる。ここで、ガスケット部１６において、電解質膜２０の膜面に沿った方向（以下では、膜面方向とも呼ぶ。：ｙ方向）の弾性係数を弾性係数Ｇｋとする。
【００３５】
第２ガス拡散層１４，１５は、図５に斜線ハッチで示される発電領域と略同一形状に形成されており、発電領域においてガスケット部１６に嵌め込まれている。このように、発電領域に嵌め込まれる第２ガス拡散層１４，１５は、ＭＥＡよりも小さく形成されている。すなわち、第２ガス拡散層１４，１５は、第１ガス拡散層２６，２８よりも小さく形成されると共に、その外周全体が、触媒電極および第１ガス拡散層２６，２８の面上に重なるように配置されている。
【００３６】
また、図５に示すように、ガスケット部１６は、略四角形状の薄板状部材であり、各カソード側プレート３１またはアノード側プレート３２（図２、図３）に対応する６つの穴部と、中央部に設けられてＭＥＡが組み込まれている略四角形の穴部とを有している。なお、図５の平面図には表わしていないが、ガスケット部１６は実際には図６に示すように所定の凹凸形状を有しており、燃料電池内では、上記６つの穴部および略四角形の穴部を取り囲む位置に設けられた凸部で、隣接するセパレータ３０と接触する。ガスケット部１６とセパレータ３０との接触位置を、シール位置ＳＬと呼ぶ（図１、図５または図６参照）。ガスケット部１６は、上述したごとく弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池内で積層方向に平行な方向に押圧力が加えられることにより、上記シール位置ＳＬの位置において固定され、それにより第２ガス拡散層１４，１５に供給された反応ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）が各マニホールドへ逆流するのを防止するようにしている。
【００３７】
さらに、図６に示すように、本実施例のガスケット部１６は、ＭＥＡを固定しているシール位置ＳＬとＭＥＡを保持しているＭＥＡ保持位置ＨＬとの間が、膜面方向に蛇腹状（または、波状。）に形成されている。この蛇腹状に形成された部分は、膜面方向に伸縮可能であるので、以下では、伸縮部Ｓとも呼ぶ。従って、膜面方向において、伸縮部Ｓの弾性係数（以下では、弾性係数Ｇｓと呼ぶ。）は、ガスケット部１６の伸縮部Ｓ以外の部分の弾性係数Ｇｋよりも高くなる。なお、伸縮部Ｓは、図５では、クロスハッチで示されている。
【００３８】
以上のように、本実施例の燃料電池１００では、ガスケット部１６において、ＭＥＡを固定しているシール位置ＳＬとＭＥＡを保持している保持位置ＨＬとの間に伸縮部Ｓ（弾性係数Ｇｓ＞弾性係数Ｇｋ）を備えている。このようにすれば、燃料電池１００において、発電および非発電を繰り返すことなどにより、電解質膜２０が膜面方向に膨張および収縮しても、ガスケット部１６の伸縮部Ｓがそれに伴って伸縮し、電解質膜２０に掛かる応力を緩和することができる。その結果、膜面方向における電解質膜２０の膨張および収縮に起因する電解質膜２０の劣化を抑制することができる。
【００３９】
また、以上のように、ガスケット部１６は、ＭＥＡの両面間のガスシール性および第２ガス拡散層１４，１５に供給された反応ガスのマニホールドへの逆流を防止する機能、ＭＥＡを固定する機能、ＭＥＡを保持する機能、および、伸縮部Ｓとを一体で備えている。従って、これらの機能を個別の部品で実現した場合と比較して部品点数を軽減させることができる。
【００４０】
なお、ガスケット部１６は、請求項における保持部および固定部に該当し、伸縮部Ｓは、請求項における伸縮部に該当する。
【００４１】
Ｂ．第２実施例：
図７は、第２実施例の燃料電池（モジュール）における伸縮部Ｔを説明するための図である。第２実施例の燃料電池は、第１実施例の燃料電池１００と類似する構成を有し、ガスケット部と電解質膜との接続部の近傍のみが異なっているため、共通する部分については同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。図７では、図６と同様に、モジュールにおけるガスケット部と電解質膜との接続部の近傍のみを拡大して示している。
【００４２】
本実施例のガスケット部１６’は、基本的に第１実施例のガスケット部１６と同様の構成であるが、図７に示すように、伸縮部Ｓを備えていない。一方、本実施例の電解質膜２０’は、その外周部において、触媒電極層（カソード２２およびアノード２４）が積層されない無積層部分を有している。そして、この電解質膜２０’の無積層部分が、膜面方向に蛇腹状（または、波状。）に形成されている。この蛇腹状に形成された部分は、膜面方向に伸縮可能であるので、以下では、伸縮部Ｔとも呼ぶ。本実施例のガスケット部１６’は、この電解質膜２０’における無積層部分の先端部分を保持するようにしている。これにより、ＭＥＡの両面間のガスシール性を確保することができる。また、ガスケット部１６’は、第１実施例のガスケット部１６と同様、シール位置ＳＬの位置において固定されている。なお、膜面方向において、伸縮部Ｔの弾性係数（以下では、弾性係数Ｍｓと呼ぶ。）は、ガスケット部１６の弾性係数Ｇｋよりも高い。なお、無積層部分は、触媒電極層が積層されていないので、発電が行われない非発電領域である。
【００４３】
以上のように、本実施例の燃料電池では、電解質膜２０’において、触媒電極層が積層されない無積層部分に伸縮部Ｔ（弾性係数Ｍｓ＞弾性係数Ｇｋ）を備えている。このようにすれば、本実施例の燃料電池において、発電および非発電を繰り返すことなどにより、電解質膜２０’が膜面方向に膨張および収縮しても、無積層部分に形成される伸縮部Ｔがそれに伴って伸縮し、電解質膜２０’に掛かる応力を緩和することができる。その結果、膜面方向における電解質膜２０’の膨張および収縮に起因する電解質膜２０’の劣化を抑制することができる。
【００４４】
なお、ガスケット部１６’は、請求項における保持部および固定部に該当し、伸縮部Ｔは、請求項における伸縮部に該当する。
【００４５】
Ｃ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００４６】
Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例の燃料電池１００におけるガスケット部１６は、少なくとも、伸縮部Ｓに加えて、ＭＥＡを保持し、セパレータ３０に固定される機能を備えていればよく、これを種々の構成の燃料電池に適用することが可能である。例えば、ガスケット部１６を、ガスケット部１６とセパレータ３０との間に、所定のシール部材（パッキンなど。）を噛ますような構成の燃料電池に適用してもよい。このようにしても、上記実施例の効果を奏することができる。この場合、ガスケット部１６は、パッキンを介して、セパレータ３０に固定される。
【００４７】
Ｃ２．変形例２：
上記第２実施例の燃料電池のモジュールにおいて、ＭＥＡの電解質膜２０’は、ガスケット部１６’に保持・固定されるような構成となっているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、上記第２実施例のＭＥＡを、以下の図８に示すような構成のモジュールに用いてもよい。
【００４８】
図８は、変形例２におけるモジュールＭｊの概略構成を表わす断面図である。このモジュールＭｊは、カソード側プレート３０１およびアノード側プレート３０２の両端に、保持固定部Ｖが設けられており、カソード側プレート３０１の保持固定部Ｖとアノード側プレート３０２の保持固定部Ｖとで、電解質膜２０’における無積層部分の先端部分を挟み込むことで、電解質膜２０’は、保持し固定される構成となっている。なお、この図８では、説明を分かり易くするため、ＭＥＡと、アノード側プレート３０２およびカソード側プレート３０１との間に隙間を空けて示している。また、カソード側プレート３０１およびアノード側プレート３０２の各保持固定部Ｖには、図８に示すごとくシール部材３１０が取り付けられている。これにより、カソード側プレート３０１の保持固定部Ｖとアノード側プレート３０２の保持固定部Ｖとで、電解質膜２０’における無積層部分の先端部分を挟み込むと、各シール部材３１０が電解質膜２０’に圧着され、ＭＥＡの両面間のガスシール性が確保される構成となっている。
【００４９】
このように、上記第２実施例のＭＥＡを、上述したようなモジュールＭｊに用いた場合であっても、モジュールＭｊにおいて、発電および非発電を繰り返すことなどにより、電解質膜２０’が膜面方向に膨張および収縮しても、無積層部分に形成される伸縮部Ｔがそれに伴って伸縮し、電解質膜２０’に掛かる応力を緩和することができる。その結果、膜面方向における電解質膜２０’の膨張および収縮に起因する電解質膜２０’の劣化を抑制することができる。なお、保持固定部Ｖは、請求項における保持部および固定部に該当する。
【００５０】
Ｃ３．変形例３：
上記第１実施例の燃料電池１００において、ガスケット部１６の伸縮部Ｓは、ガスケット部１６の外周すべてに設けられているが（図５クロスハッチ参照）、本発明は、これに限られるものではなく、例えば、ガスケット部１６の伸縮部Ｓは、ガスケット部１６の外周の少なくとも一部分に設けられていてもよい。
【００５１】
Ｃ４．変形例４：
上記第２実施例の燃料電池において、電解質膜２０’の無積層部分は、外周部に渡り設けられているが、本発明は、これに限られるものではなく、電解質膜２０’の無積層部分は、外周部の少なくとも一部に設けられるようにしてもよい。この場合、伸縮部Ｔは、無積層部分がある部分の少なくとも一部に設けられるようにしてもよい。また、電解質膜２０’の無積層部分が、外周部に設けられていた場合であっても、伸縮部Ｔは、その無積層部分の少なくとも一部に設けられるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池の概略構成を表わす断面図である。
【図２】カソード側プレート３１の形状を示す平面図である。
【図３】アノード側プレート３２の形状を示す説明図である。
【図４】中間プレート３３の形状を示す説明図である。
【図５】図１に示すＭＥＡと一体形成されたガスケット部１６の概略構成を表わす平面図である。
【図６】ガスケット部１６とＭＥＡとの接続部の近傍すなわち図１において破線で囲んだＲ領域を拡大して示す説明図である。
【図７】第２実施例の燃料電池（モジュール）における伸縮部Ｔを説明するための図である。
【図８】変形例２におけるモジュールＭｊの概略構成を表わす断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…単セル
１４，１５…第２ガス拡散層
１６，１６’…ガスケット部
２０，２０’…電解質膜
２２…カソード
２４…アノード
２６，２８…第１ガス拡散層
３０…セパレータ
３１…カソード側プレート
３２…アノード側プレート
３３…中間プレート
４０〜４５…穴部
５０〜５３…連通孔
５４〜５７…連通部
５８…冷媒孔
１００，１００Ａ…燃料電池
【図１】
0005130623.tif 000002
【図２】
0005130623.tif 000003
【図３】
0005130623.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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